test
Ana Sayfae-DergiKanatsız Rüzgâr Türbini

Kanatsız Rüzgâr Türbini

Yahya Kaya / BTÜ Makine Müh. Öğrenci


 

Giriş

İhtiyaçtan çok zorunluluk haline gelen enerji, günümüzde olduğu gibi gelecekte de önemli bir yer teşkil edeceği beklenmektedir. Enerji hem ulusal hem de uluslararası alanlarda kritik önem taşımaktadır. 2019-2030 yılları arasında Uluslararası Enerji Ajansının yayınladığı Mevcut Politikalar Senaryosuna göre dünya nüfusunun son zamanlarda tükettiğinden %9, Gecikmeli Kurtarma Senaryosuna göre ise %4 daha fazla enerjiye ihtiyaç duyacağı tahmin edilmektedir1. Bu nedenle sürekli artan enerji talebini karşılamak ve fosil yakıtlardan kaynaklanan küresel ısınmayı önlemek amacıyla yenilenebilir enerji kapasitesinin ilerleyen dönemlerde daha da artacağı öngörülmektedir2.

Covid-19 kaynaklı yaşanan kriz sonrası enerji sektöründe oluşan istikrarsızlık, fosil kaynaklı enerji talebinin azalmasına neden olmuştur. Fakat, krizin oluşturduğu bu olumsuzluğa rağmen farklı senaryolara göre yenilenebilir enerjideki büyümenin hızla devam ettiği buna bağlı olarak rüzgâr enerjisi sektöründeki gelişmelerin de hızlandığı görülmüştür1. Bu gelişmeler türbin çeşitliliği açısından farklı Ar-Ge çalışmalarını da tetiklemiştir.

Rüzgâr enerjisinin tarihi ve önemi

Rüzgâr gücünden yararlanmanın tarihi M.Ö. 5000 yılı insanların ilk yerleşik hayata geçtikleri günlere kadar uzanmaktadır. Bu yerleşim yerlerinden biri olan Nil Nehri’nde taşımacılık faaliyetlerinde kullanılmaya başlanılan rüzgâr gücü, taşıdığı kinetik enerji sayesinde ve dönemin teknolojisiyle yapılan ekipmanlar yardımıyla insanların kullanımına girmiştir3. M.Ö. 2000 yıllarında Eski Mısır’da, İran’da, Çin’de ve Japonya’da icat edilen yel değirmenleri tahıl öğütme işinde kullanılmıştır. M.Ö. 17.yy’da Babil kralı Hammurabi döneminde Mezopotamya’da sulama amacıyla kullanılmıştır4. İlerleyen çağlara bakıldığında ise deniz ulaşımında, yelkenli gemilerde ve M.S. 11. yy’dan sonra yaygınlaşan yel değirmenlerinde enerji kaynağı olarak kullanılmaya devam etmiştir.

Rüzgâr teknolojisinin Avrupa’da gerçekleşen bazı devrimler sonrası farklı bir boyut kazandığı görülmektedir. Terk edilen madenlerin yeniden işletilmeye açılabilmesi için rüzgâr gücü kullanılarak diplerinde biriken sular boşaltılmıştır. Bu olay yel değirmenleri vasıtasıyla, Avrupa’nın ekonomik kalkınma süreci içine girmesinde rol oynayan önemli bir girişim olarak ele alınmaktadır.

Avrupa’nın ekonomik kalkınma sürecini hızlandıran rüzgâr enerjisi etkenlerinden biri de hiç şüphesiz, kıtalar arası ulaşımı sağlayan yelkenli gemilerdir. Güçlendirilmiş gövde yapısı ile rüzgâr gücü kullanımının etkin biçimde sağlanabildiği bu yelkenliler, tarihin seyrini değiştirecek keşiflere ve yeni ticaret yollarının kurulmasına imkân sağlamıştır.

1881 yılında elektrik ile aydınlanma devrimi 1887 yılında rüzgâr gücünden elektrik elde etme yönteminin bulunmasında önemli bir rol oynamıştır. Elektriğe ulaşımdaki kolaylık, insanların, elektrik ve makineyle ilgili daha fazla çalışma yapabilmesine olanak sağlayarak, mekanik hareket üzerinden elektrik üretebilen jeneratörlerin geliştirilme sürecini hızlandırmıştır. Fakat sanayi devrimi sonrası ucuz fosil yakıtların kullanımı rüzgârdan elektrik enerji elde etme teknolojisini sekteye uğratmıştır.

1970 yılına meydana gelen petrol krizi ve 1990 Körfez Krizi; Avrupa ve ABD başta olmak üzere rüzgâr türbini üretiminde sanayileşme yoluna gidilmesine, 1980 ve sonrasını kapsayacak süreçte de seri üretim rüzgâr türbinleri üzerinden yüksek miktarlarda elektrik üretimine geçilmesine neden olmuştur. Günümüzde ise kullanım alanları da göz önünde bulundurularak birçok şekil, büyüklük ve verimlilikte çalışabilen rüzgâr türbinleri tasarlanmıştır (Şekil 1).

Rüzgâr türbinlerinin tarihsel süreçte gelişimi
Şekil 1. Rüzgâr türbinlerinin tarihsel süreçte gelişimi.

Rüzgâr enerjisinin Dünyada yeri

Yenilenebilir enerjinin küresel elektrik üretimindeki payı 2010-2021 yılları arasında %19’dan %28’e çıkmış ve bu süre boyunca ikinci sıradaki yeri değişmemiştir (Şekil 2). Sürdürülebilir bir gelecek için fosil yakıtların yerini alabilmesi adına yenilenebilir enerji kaynaklarından enerji üretim şekilleri zenginleştirilmelidir.

Yenilenebilir enerjinin küresel elektrik üretimindeki payı
Şekil 2. Yenilenebilir enerjinin küresel elektrik üretimindeki payı5.

Rüzgâr enerjisi, dünyada en hızlı büyüyen ilk üç yenilenebilir enerji kaynağı arasında yer almaktadır. Dünyada rüzgâr enerjisi küresel yenilenebilir enerji üretim kapasitesi sıralamasında son 10 yılda ikinciliğini korumuştur. IRENA verilerine göre rüzgâr enerjisinin kara ve denizdeki küresel enerji üretim kapasitesi toplamı 2000-2021 yılları arasında yaklaşık 49 kat artarak 1.823 TWh’a çıktığı görülmektedir (Şekil 3)6.

Küresel ölçekte yenilenebilir enerji türlerinin elektrik üretimindeki payı
Şekil 3. Küresel ölçekte yenilenebilir enerji türlerinin elektrik üretimindeki payı5.

Dünya geneli rüzgâr enerjisinden elektrik üretme kapasitesi sırasıyla en fazla enerji elde eden ilk 10 ülkenin son üç yıla ait verileri Şekil 4’te görülmektedir. Son üç yıldaki toplam kapasite artış miktarı gelişmiş Avrupa ülkeleri incelendiğinde 2021 yılında bir azalma olduğu gözlenmiştir. Bu azalmanın başlıca nedeni COVİD-19’un daralan talep üzerine enerji üretimini sekteye uğratmasından kaynaklanmaktadır. Bu tür olumsuzluklara rağmen Çin, Amerika gibi enerji devi ülkeler rüzgâr enerjisinde kapasite artışına devam etmiştir. Farklı türbin tasarımları ile optimum enerji elde etme üzerine kapasite artışlarını desteklemişlerdir.

Ülkelere göre rüzgâr enerjisinden elektrik üretim kapasitesinin 2019-2021 yılları arası değişim miktarı
Şekil 4. Ülkelere göre rüzgâr enerjisinden elektrik üretim kapasitesinin 2019-2021 yılları arası değişim miktarı7.

Rüzgâr Türbin Çeşitleri

Rüzgâr türbinleri birçok özellik göz önüne alınarak sınıflandırılmaktadır. Bunlar; rotasyon düzlemi, kanat sayısı, rotor yönü, güç aktarım şekli, jeneratör teknolojisi, kurulum yeri gibi etmenlerdir (Şekil 5).

Rüzgâr türbinlerinin sınıflandırılması
Şekil 5. Rüzgâr türbinlerinin sınıflandırılması.

Genel olarak rüzgâr türbini aileleri incelendiğinde yatay eksenli rüzgâr türbinleri (HAWT) ve dikey eksenli rüzgâr türbinleri (VAWT) iki ana rüzgâr türbin tipi öne çıkmaktadır. Bunların yanında günümüz teknolojisinin etkisiyle girdap türbinleri veya kanatsız (salınımlı) rüzgâr türbinleri olarak da isimlendirilen yeni bir rüzgâr ailesi oluşumu görülmektedir (Şekil 6).

Rüzgâr türbinlerinin salınım eksenlerine göre hareketlerinin gösterimi
Şekil 6. Rüzgâr türbinlerinin salınım eksenlerine göre hareketlerinin gösterimi8.

Yatay eksenli rüzgâr türbinleri (HAWT): Rüzgâr türbini pazarında sıkça rastlanan ve ilk rüzgâr türbini örneklerini de içinde barındıran köklü bir türbin ailesidir. Temel bileşenleri; türbin kanatları, şaft ve kulenin tepe kısmında bulunan jeneratördür. Şanzımanın çıkış milinden aldığı hareketi diferansiyel kutusuna ileten şaft, bu türbinlerde yere yatay olarak konumlandırılmıştır. Rüzgârın çok olması durumunda sistemi kontrol altına almak için frenleme mekanizması bulunmaktadır.

Dikey eksenli türbinler (VAWT): Temel bileşenlerinin konumu itibariyle yere daha yakındır ve ağırlık merkezi daha kararlı bir yapıya sahiptir. Rotor ve jeneratör rüzgâr yönüne dik olarak konumlandırılmıştır ve türbin kanatları düşey olarak tasarlanmıştır.

Rotasyon düzlemine ek olarak kanat sayısına göre de rüzgâr türbinleri sınıflandırılabilir. Kanatsız rüzgâr türbinleri, salınım hareketinin temel alındığı gelişmekte olan bir enerji teknolojisi girişimidir. Bu türbinler Vortex türbinleri olarakta bilinir ve hakkında elde edilen veriler genellikle araştırma ve geliştirme seviyesindedir. Mevcut teknolojinin gelişmesi ve ticarileştirilmesi üzerine çalışan girişimlerden biri Vortex Bladeless firmasına aittir. Vortex türbinleri hakkında sağlanan tüm veriler ve çalışma sonuçları bu firmanın ürettiği prototipler üzerinden ve şirketin hedefleri doğrultusunda ilerlemektedir8.

Kanatsız Rüzgâr Türbini

Kanatsız rüzgâr türbini, beyzbol sopasına benzeyen elastik bir silindirik çubukla dikey olarak sabitlenmiş ve içerisinde alternatör sistemi bulunan bir sistemdir. Bu sistem tespit edilen verimli rüzgâr aralığında salınım gerçekleştirir. Bu salınımlar sırasında oluşan girdap akımını da kullanarak titreşim oluşturan rezonanslı bir rüzgâr jeneratörüdür9. Kanatsız rüzgâr türbininin mucidi David Yáñez’in ilham aldığı olay Tacoma Narrows köprüsünün yıkılmasına da neden olan “Girdap Etkili Titreşim” olgusudur.

Genel yapısı

Dış silindir tasarımı genel anlamda sert yapılıdır ve alt çubuğa bağlı kalacak şekilde titreme yeteneğine sahiptir. Silindirin üst kısmı serbesttir ve maksimum salınım genliğine sahiptir. Yapı geleneksel rüzgâr türbin kanatlarında kullanılan malzemeler olan karbon ve/veya cam elyafı ile güçlendirilmiş reçineler kullanılarak inşa edilmiştir. Çubuğun üst kısmı direği destekler ve alt kısmı zemine sağlam bir şekilde sabitlenmiştir. Bu direkler dayanıklılık direnci yüksek olan ve salınım sırasında minimum enerji sızıntısı gösteren karbon fiber takviyeli polimerlerden yapılmıştır (Şekil 7).

Kanatsız rüzgâr türbini (a) ticari şekli, (b) şeffaf iç tasarımı, (c) statorun sabit parçası ve bobinleri, (d) direğe sabitlenen kalıcı mıknatıs halkaları, (e) stator destek çubuğu
Şekil 7. Kanatsız rüzgâr türbini (a) ticari şekli, (b) şeffaf iç tasarımı, (c) statorun sabit parçası ve bobinleri, (d) direğe sabitlenen kalıcı mıknatıs halkaları, (e) stator destek çubuğu9.

Bu türbinlerde, geleneksel türbinlerde bulunan; kule, motor bölümü ve kanatların aksine sabit bir taban üzerine hareketli ve hafif malzemelerden yapılmış bir direğin bağlanmasıyla oluşmaktadır. Bu durum, malzeme kullanımını ve türbinin sabitlenmesi için gereken temel oluşturma gereksinimini önemli ölçüde azaltmaktadır9.

Kanatsız rüzgâr türbini çalışma sisteminin dinamik görüntüsü
Şekil 8. Kanatsız rüzgâr türbini çalışma sisteminin dinamik görüntüsü10.

Karbon fiber takviyeli polimerden üretilen türbin alt kısmı sabit, üst kısmı ise hareketli olmak üzere iki kısımdan oluşmuştur (Şekil 8). Türbinin üst direğinin hareketini sağlayan esnek çubuğun üzerinde bulunan sabit stator etrafında halka şeklinde üst direğin iç yüzeyine konumlandırılmış mıknatıslar bulunmaktadır. Türbin, rüzgârın kuvveti ile sallanan esnek çubuğun üzerindeki bobinlerin mıknatıslara yaklaşıp uzaklaşmasıyla enerji üretmektedir. Esnek çubuğun etrafında stator desteğinin iç kısmında esnekliğin artmasını ve belirli bir frekansa odaklanmasını sağlayan destek çubuğu bulunmaktadır.

Enerji dönüşümü

Rüzgâr kaynaklı hava akımının silindirin hareketli üst kısmına temas etmesi ile türbinde mekanik titreşimler başlamış olur. Hareketli gövdenin titreşmesiyle birlikte titreşim yapı gövdesinde doğrusal hareket olarak ilerler. Akıştan kaynaklanan dalgalı basınç farkı, akış yönüne dik bir kaldırma kuvveti üretir. Bu değişen kaldırma kuvveti direğin salınım hareketini destekler11. Doğrusal hareket, gövdenin içindeki alternatörün yapısında bulunan mıknatısları ileri geri hareketini sağlayarak elektromanyetik enerji üretmesini sağlamaktadır. Değişken manyetik alan içerisinde tellerdeki durgun elektronlar manyetik kuvvetle hareket etme becerisi kazanarak alternatör bobininde indüklenmektedir12. Bu yolla oluşturulan elektrik akımı daha sonra enerji depolama birimlerine aktarılabilir (Şekil 9).

Kanatsız rüzgâr türbininde enerji dönüşüm aşamaları
Şekil 9. Kanatsız rüzgâr türbininde enerji dönüşüm aşamaları8.
Teknolojisi ve akışkanlar dinamiği

Kanatsız rüzgâr türbini girdap kaynaklı titreşimler sonucu oluşan aerodinamik kararsızlıkları ve rüzgâr türbülanslarını en üst düzeye çıkararak elektrik üretimi için kullanır. Bu türbinlerden elektrik üretimi teorik olarak şu şekilde olmaktadır: Akışkan, bir akışa maruz kalan blöf cismin (şeklinin bir sonucu olarak, yüzeyinin önemli bir kısmı boyunca akışı ayıran bir gövdeye sahip yapı; direk) etrafından aktığında cismin arkasında periyodik bir girdap oluşturmaktadır (Şekil 10).

Girdap kaynaklı titreşimin dinamik görünümü
Şekil 10. Girdap kaynaklı titreşimin dinamik görünümü.

Oluşan bu girdabın dökülme frekansı;

f = u.St/L

olarak tanımlanmaktadır. Strouhal sayısı St akışın yerel ivmesinden kaynaklanan atalet kuvvetlerinin konvektif ivmeden kaynaklanan atalet kuvvetlerine oranını temsil eder ve formülde 0,2 olarak kabul edilir. Gövdeye doğru gelen akış hızı u, karakteristik uzunluk L’dir. Reynolds sayısı (Re) akış rejimini gösteren, temelde atalet kuvvetlerinin akışkandaki viskoz kuvvetlere bağlı oranını gösteren ampirik bir sayıdır. Formülde Reynolds sayı aralığı 300<Re<1,5×105 aralığında bir sabit olarak kabul edilmiştir. Akış yönüne göre cismin arkasında oluşan girdaplar çevresinde asimetrik basınç alanları oluşmaktadır. Ardından sonlu titreşim genliği ile sonuçlanan değişken aerodinamik kuvvetlere maruz kalmaktadır. Girdap dökülme frekansı blöf cismin doğal frekansına yakın olduğunda, rezonans meydana gelerek blöf cisim yüksek genlikli bir titreşime maruz kalmaktadır. Böylece, gelen akış hızlarının belirli bir aralığında, girdap dökülme frekansının artık değişmeyeceğini gösteren frekans kilitleme (lock-in) olgusu meydana gelmektedir13. Oluşan bu olgu sonucunda da elde edilmesi amaçlanan enerjinin verimlilik düzeyi maksimuma çıkarılmış olmaktadır.

Alternatör Sistemleri

Girdap kaynaklı titreşim yardımıyla enerji üretimi, elektromanyetik cihazlar, piezoelektrik malzeme veya elektrostatik cihazlar aracılığıyla gerçekleştirilmektedir. Bu durum göz önünde bulundurulduğunda girdap kaynaklı titreşimden enerji elde etmek için iki yöntem ön plana çıkmaktadır.

  1. Doğrusal alternatör
  2. Piezoelektrik malzeme

Piezoelektrik malzeme, salınım hareketleri sırasında fazla yük altında mukavemeti düşük olduğundan kırılganlık gösterebilir. Bu sebeple kanatsız rüzgâr türbinlerinde genellikle alternatör kullanılmaktadır. Eğer malzemelerin yorulma direnci ve malzemelerin sağlamlığı üzerine iyileştirmeler yapılırsa vorteks kaynaklı titreşimler aerojeneratörlerde piezoelektrik malzeme etkin bir şekilde kullanılabilir14.

Kanatsız rüzgâr türbininden elektrik enerjisi elde etmek için en uygun seçenek kalıcı mıknatıslı (bir kez mıknatıslanınca, bu niteliğini koruyan çelik alaşımı) alternatör kullanarak elektromanyetik indüksiyon yapılmasıdır. Bu türbinlerde hareketli millerin bulunmaması avantajdır. Direk (blöf) hareketinin değişken karakteri için uygun bir alternatörün tasarımı ayrıca önemlidir.

Bu doğrultuda, mıknatıslar ve bobinler arasındaki ilk etkileşimin direkle dikey konumda meydana gelmesi ve maksimum direk hızının salınım nötr konumundan geçtiği yerde gerçekleşmesi nedeniyle alternatör türbinin hareketli kısmı içerisinde kalacak şekilde yapılır. Fakat tasarımın beraberinde getirdiği dezavantajlar da bulunmaktadır. Alternatörden yüksek verim elde edilmesi için rezonansın bozulmaması ve türbinin silindir gövdesinin akış yönünde güçlü salınımlar gerçekleştirmesi gerekmektedir. Tasarım sonucu rezonans bozulmaları ve silindir gövdenin zayıf etkileşim bölgelerine kaydığı görülmüştür. Bu dezavantajların temel sebebi sistemin minimum enerji yörüngeleri aramasıdır.

Vortex alternatörünün tasarım avantajı, mıknatıslar ve bobinler arasındaki maksimum bükülme pozisyonundaki etkileşime ve mıknatıslar ile elektrikli demir çekirdekler arasındaki indüklenen kuvvetlere sistem dinamikleri tarafından elverişli olmasından gelir. Alternatör tasarımında eksenel simetrinin bozulmaması için direğe sabitlenmiş halka şeklinde kalıcı mıknatıslar kullanılmaktadır6. Alternatör ile AC akım türünde elektrik elde edilerek türbin sistemi içerisinde DC akımına dönüştürülmektedir.

Maliyeti

Kanatsız rüzgâr türbini, maliyeti arttıran motor bölmesine, türbin kanatlarına ve destek mekanizmalarına ihtiyaç duymamaktadır. Çok hafif olması ve ağırlık merkezinin yere yakın olması, ankraj ve temel gereksinimleri önemli ölçüde azaltmakla birlikte türbin kurulumunu kolaylaştırmaktadır. Bu gibi etmenler, türbinin maliyetini önemli ölçüde azaltmaktadır8. Bu türbinler daha verimli şekilde elektrik üretebilir ve elektrik üretim maliyetini %40 oranında azaltabilme potansiyeline sahiptir. 2013 yılında kurulan İspanyol bir start-up olan Vortex Bladeless SL, rüzgâr enerjisini elektrik enerjisine dönüştürmek adına bu türbinlerde lineer bir alternatör sistemi kullanmaktadır15. Geleneksel rüzgâr türbini ile karşılaştırıldığında, üretim modeli daha az güç üretimine sahip olduğu için hedeflenen enerji miktarına ulaşılması kolay olmaktadır ve bu durum düşük güç üretimi anlamına gelse de düşük güç kullanımı gösteren elektronik cihazların enerji ihtiyacını karşılayabilir ve sahip olduğu tasarım özelliklerine uygun maliyet düşüşünü de sağlamaktadır16.

Üretim kapasitesi

Betz Yasasına göre, bir rüzgâr türbininin tasarımından bağımsız olarak rüzgârdan elde edilebilecek maksimum güç, kinetik enerjisinin %59,3’ü kadar olmaktadır. Güç üretimi kapasitesini belirleyen en önemli parametre rüzgâr türbininin süpürme alanıdır. Kanatsız rüzgâr türbini aynı yükseklikte bulunan geleneksel üç kanatlı bir rüzgâr türbinin çalışma alanının %30’unu süpürmektedir9.

Kanatsız rüzgâr türbinini geliştirme çabaları incelendiğinde, alternatör tasarımını ve sistemin geometrisini optimize etmeyi içerdiği görülmektedir. Yeni geometrisi ile türbin sistemi, rüzgârın kinetik enerjisinin neredeyse %40’ını yakalayabilir17. Kanatsız rüzgâr türbini 3-8 m/s aralığındaki rüzgâr hızlarında normal çalışma verimine geçebilmektedir.

Türbinin tasarımı, düşük rüzgâr hızlarında enerji üretmek üzerinedir. HAWT ve VAWT türbinleri ile Vortex Bladeless firmasının deneme çalışmalarının devam ettiği Vortex Tacoma türbinleri (2,75 m yükseklik) için rüzgâr hızına göre enerji üretiminin teorik değerleri Çizelge 1’de gösterilmektedir.

Çizelge 1. Yatay eksenli, dikey eksenli ve kanatsız rüzgâr türbinlerin (Vortex Tacoma) rüzgâr hızı ve verimlilik durumu8.
Rüzgâr hızı (m/s)Küçük HAWT (W)Küçük VAWT (W)Kanatsız* (W)
3003
6724435
71046660
81358680
916010593
Nominal hız400200100

* Vortex Tacoma

Mevcut teknolojisi ile Vortex rüzgâr gücünün, normal yatay eksenli rüzgâr türbinlerine nazaran daha az enerji elde ettiği fakat düşük rüzgâr hızlarında da çalıştığı görülmektedir.

Kanatsız Rüzgâr Türbinin Avantajları
  • Yenilikçi tasarımı ile ses (gürültü) oluşumunu önemli ölçüde azaltır.
  • Pervane kaynaklı kuş popülasyonuna verilebilecek olası zararlar hemen hemen ortadan kalkmaktadır.
  • Hareketli parça sayısının az olmasından dolayı sürtünme kaynaklı enerji kayıpları minimuma iner.
  • Üretim maliyeti geleneksel rüzgâr türbinlerinden daha düşüktür18.
  • Bu türbinlerin azaltılmış süpürme alanı, aynı yüzey alanı içinde daha fazla türbinin konumlandırılmasına izin vererek, güç verimliliği kaybını alan verimliliği ile uygun maliyetli bir şekilde telafi eder.
  • Kanatsız rüzgâr türbinleri, geleneksel rüzgâr türbinlerine kıyasla %40 daha az maliyetle elektrik üretir. 
  • Kanatsız türbinler hem şebekede hem de şebeke dışında kullanılabilir ve ayrıca hibrit rüzgâr-güneş sistemlerinde de kullanılabilirler.
Kanatsız Rüzgâr Türbinin Dezavantajları

Kanatsız rüzgâr türbinin karşılaştığı çoklu fizik problemleri çerçevesinde gerçek ortamda deneysel olarak test edilebilirlik maliyetinin yüksek olması ve zorluğu, kanatsız türbinlerin enerji jeneratörünün tasarımında kullanılan temel kuvvetler; girdap atma frekansı senkronizasyonu ve yapının doğal titreşim frekansından kaynaklanan katı gövde titreşimleri gibi simülasyon zorlukları dezavantajları olarak sayılabilir. Jeneratörün tasarımındaki kuvvetler, çoklu fizik problemleri kapsamında bulunan sıvı-yapı etkileşim problemleri başlığı altında bulunmaktadır ve bu temel problem türbininin hareket etmesi sonucu oluşan hava akışının tepkisel kuvvetleri ile katı gövdede deformasyon oluşturmaktadır ama kanatlı türbinlere oranla bu deformasyon azdır.

Bu problemin çözümü için farklı geometrik konfigürasyonlara sahip türbinlerin geliştirilmesi ve çalışma koşullarının test edilmesi ve enerji üretim tahminlerinin elde edilmesi gerekmektedir. Konfigürasyon çeşitliliğini deneysel testler ve cihazlar aracılığıyla elde edilmesi çok zor ve biraz pahalı olmaktadır. Ayrıca, bu tür sorunların sayısal simülasyonunu oluşturmak da çok zordur ve son yıllarda bunun üzerinde ciddi çalışmalar yapılmaya başlanmıştır. Bu simülasyonlardan biri akışkan yapısı etkileşimi modelidir (FSI) ve vortex bladeless cihazının vortex-induced vibration (VIV) fenomenini simüle etmek için kullanılmaya başlanmıştır19.

Kilitlenme frekansı bölgesinin genişlik aralığı ve verimli-yüksek enerji frekans bölgesi azlığı: Vortex Bladeless girdap kaynaklı titreşim enerji toplayıcısının verimliliği lock-in olarak adlandırılan kilitlenme frekansı bölgesinde çalışırken oldukça yüksek olmaktadır. Fakat gelen akış hızı sınırı uygun hız aralığını aştığında; titreşimlerden istenilen frekans elde edilememektedir. Keskin genlik küçülmeleri nedeniyle de enerji yakalama verimliliği düşmektedir13.

Sonuç

Kanatsız rüzgâr türbini, geleneksel rüzgâr türbinlerine bazı noktalarda rakip olmayan, yenilenebilir enerji alanında çeşitliliğin artırılması yönünde geliştirilmesi devam eden bir enerji elde etme yöntemidir. Yeryüzünün korunması yolunda atılmış önemli bir gelişme olması onu, üretebildiği enerji miktarının düşük olmasıyla ölçülemeyecek derece değerli kılmaktadır. Az gürültü oluşturması, kuşlara verilen zararı minimuma indirmesi vb. özellikleri ile çevre dostu olması, türbin malzemesinin ve kurulumlarının daha az maliyetli olması ile evlerin çatı kısmına kolay inşa edilebilmesiyle öne çıkmaktadır. Ayrıca çatılarda güneş panelleri ile hibrit olarak kullanılarak neredeyse 7-24 çalışabilen tamamlayıcı bir entegre sistem halinde hizmet sunabilir. Vortex Bladeless şirketinin 1 MW gücündeki rüzgâr türbinlerinin (114 metre) hayata geçmesi durumunda çevreci özellikleri ve düşük rüzgâr hızlarında çalışabilmesi ile rüzgâr türbini pazarında adından ciddi bir biçimde söz ettirecektir.

Katkı yapanlar: Kadir Yolal, Samiye Meydanoğulları ve Dr. Zekeriya Doğruyol

Kaynaklar

  1. International Energy Agency. (2020). World Energy Outlook. https://www.iea.org/topics/world-energy-outlook
  2. Erdinç, Z., Aydınbaş, G. (2020). Yenilenebilir Enerji Tüketi̇mi̇nin Beli̇rleyi̇ci̇leri̇ Üzeri̇ne Panel Veri Anali̇zi̇. Journal of Social, Humanities and Administrative Sciences, 6(24), 346–358. https://doi.org/10.31589/joshas.266.
  3. Bektaş, A. (2013). Binalarda rüzgâr enerjisi kullanımının farklı bölgeler açısından değerlendirilmesine yönelik bir çalışma: TOKİ Tarımköy projesi örneği (Doctoral dissertation, Fen Bilimleri Enstitüsü). https://polen.itu.edu.tr/bitstreams/df2ad576-df86-4ed4-849a-063dd08926aa/download
  4. Hayli, S. (2001). Rüzgâr enerjisinin önemi, Dünya’da ve Türkiye’deki durumu. Fırat Üniversitesi Sosyal Bilimler Dergisi, 11(1), 1-26. https://www.academia.edu/35151832/Rüzgar_Enerjisi…
  5. British Petroleum. (2022). BP Statistical Review of World Energy. https://www.bp.com/content/dam/bp/business-sites/en/global/corporate/pdfs/energy-economics/statistical-review/bp-stats-review-2022-full-report.pdf
  6. International renewable energy agency. (2022). Renewable energy statistics. https://www.irena.org/-/media/Files/IRENA/Agency/Publication/2022/Jul/IRENA_Ren…
  7. Ourworldindata. (2022) Wind Power Generation. https://ourworldindata.org/grapher/wind-generation?tab=table
  8. Vortex Bladeless. (2018, Eylül 27). Cost-effectiveness & feasibility analysis – Vortex Bladeless. https://vortexbladeless.com/cost-effectiveness-analysis-bladeless/
  9. Yáñez Villarreal, D. J. (2018). VIV resonant wind generators. European Union’s Horizon 2020 research and innovation program under grant agreement No 726776. www.vortexbladeless.com
  10. Vortex Bladeless How it Works, scheme (2020). https://www.youtube.com/watch?v=lirOhO4nKIc
  11. Francis, S., Umesh, V., & Shivakumar, S. (2021). Design and Analysis of Vortex Bladeless Wind Turbine. Materials Today: Proceedings, 47, 5584-5588. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.03.469
  12. Syed, K., SHAIKH, F. U., & KHAN, A. (2018). Vortex bladeless wind turbine. Kaynak:http://ir.aiktclibrary.org:8080/xmlui/bitstream/handle/123456789/2556/pe0380.pdf?sequence=1&isAllowed=y
  13. Wang, J., Geng, L., Ding, L., Zhu, H., & Yurchenko, D. (2020). The state-of-the-art review on energy harvesting from flow-induced vibrations. Applied Energy, 267(January), 114902. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2020.114902
  14. Tandel, R., Shah, S., & Tripathi, S. (2021). A state-of-art review on Bladeless Wind Turbine. Journal of Physics: Conference Series, 1950(1). https://doi.org/10.1088/1742-6596/1950/1/012058
  15. El-Shahat, A. (2016). Bladeless Wind Turbine as Wind Energy Possible Future Technology. Natural Gas & Electricity, 33(4), 16–20. https://doi.org/10.1002/gas.21942
  16. Asre, C. M., Kurkute, V. K., & Kanu, N. J. (2022). Power generation with the application of vortex wind turbine. Materials Today: Proceedings, 56, 2428-2436. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.08.228
  17. Altair. (n.d.). Concept To Reality. A Unique Design Enables Bladeless Wind Turbines to Harness Energy. https://www.altair.com/c2r/ws2017/unique-design-enables-bladeless-wind-turbines-harness-energy
  18. Raghuwanshi, S., Mourya, C. singh, PANDEY, A., shrivastava, akriti, sonanis, amol, & banwariya, mayank. (2020). Design and Fabrication of Vortex Bladeless Wind Turbine. SSRN Electronic Journal. https://doi.org/10.2139/ssrn.3609291
  19. Cajas, J. C., Houzeaux, G., Yáñez, D. J., & Mier-Torrecilla, M. (2016). SHAPE project Vortex Bladeless: Parallel multi-code coupling for fluid-structure interaction in wind energy generation. https://upcom….

Yorum Yap

Lütfen yorumunuzu giriniz!
Lütfen isminizi buraya giriniz

Bu site, istenmeyenleri azaltmak için Akismet kullanıyor. Yorum verilerinizin nasıl işlendiği hakkında daha fazla bilgi edinin.

Son Yazılar

Son Yorumlar